מרכז לדימות המוח על-שם נורמן והלן אשר מוקדש לדימות והבנת פעילותו של המוח האנושי. המרכז תומך בארבע פעילותה של טכנולוגיית דימות מוחי מתקדמת, בכלל זה במכשיר-tesla f-MRI  (הדמיית תהודה מגנטית תפקודית). ציוד זה, המאפשר התבוננות במוח ברזולוציה גבוהה ביותר, מאפשר חדירה לצורכי אבחנה אל תפקודי המוח האנושי והשיבושים בהם. מעבר למשמעויות שיש לדבר עבור המדע הבסיסי, הרי שהפוטנציאל הטמון במחקר זה עבור יישומים רפואיים וביו-רפואיים הוא עצום. בטווח הארוך יותר תוביל הבנה גוברת של גורמי ההפרעות המוחיות - כגון דיכאון, סכיזופרניה, אוטיזם, פרקינסון, אלצהיימר, אפילפסיה, שבץ מוחי, שיטיון ועוד רבות אחרות - לפיתוח כלי אבחון ושיטות טיפול.
פרופ' ידין דודאי, ראש המרכז

מרכז לחקר מחלות עצבים על-שם נלה וליאון בנוזיו מקדם את המחקר ואת הבנת הבסיס המולקולרי של מחלות עצבים, כולל הפרעות התפתחותיות של המוח, כגון תסמונת ה-X השביר ותסמונת דאון, כמו גם מחלות ניוון עצבים של המוח המזדקן, ובכלל זה פרקינסון ואלצהיימר. המרכז תומך על ידי מענקי מחקר, שיתוף פעולה רפואי, חסות לסימפוזיונים, והשתתפות סטודנטים במפגשים בינלאומיים המוקדשים לחקר מחלות עצבים. המאפיין המשותף למחלות אלו הוא היותן יחודיות למוח האנושי, קשות לטיפול באמצעות מערכות מודל, ובשילוב המתקיים בהן לכאורה בין מערך מורכב של גנים פגומים וגורמי סיכון.
פרופ' אנתוני ה. פוטרמן, ראש המרכז

מרכז לחקר המוח על שם נלה וליאון בנוזיו מקדם את לימודי מערכת העצבים ברמות המולקולריות, התאיות והרב-תאיות. המרכז תומך במחקר המתמקד בחשיפת היחסים שבין מבנה-תפקיד-פעילות המתקיימים במוח, במטרה להבין את המכניזם העצבי המורכב עליו מבוססים תהליכי הלמידה, הזכרון והעיבוד החושי, כמו גם היחסים בין המוח לשכל.
פרופ' רפי מלאך, ראש המרכז

מכון לחקר המוח על שם קרל ומיכאלה איינהורן-דומיניק מתמקד בייזום פעילויות חדשות בתחום המחקר המוחי במכון ויצמן, בייחוד אלו הדורשות שיתוף פעולה בין מספר תחומי לימוד בפקולטות שונות. מכון איינהורן-דומיניק תומך בחקר המוח במחלקה לנוירוביולוגיה ובכל שאר המחלקות  העוסקות בלימוד תיפקודי מוח עילאיים. בין יוזמותיו של המכון ניתן למנות את תכנונו של מתקן דימות מוחי חדש (הדמיית תהודה מגנטית תפקודית ואלקטרואנצפלוגרפיה) ושל חקר המוח המשלב גישות מולקולריות ותאיותי. 
פרופ' ידין דודאי, ראש המכון

מרכז מוריי ומאיר גרודצקי לחקר תפקודי המוח העילאיים מתמקד בהבנה טובה יותר של העקרונות המונחים בבסיס העיבוד התפישתי והקליפתי, תפקודי המוח הגבוהים, ו"הקוד העצבי", דהיינו האסטרטגיות בהן משתמשת רשת הנוירונים במוח כדי לבצע את תפקידה המורכב. המחקר במרכז איפשר למדענים לבצע הדמייה חזותית של פעולת המכלולים הנוירונים, כמו גם של מבנה ותיפקוד קליפת היונקים ברמת פירוט שאין לה תקדים. כתוצאה מכך יכולים המדענים "לראות" בצורה ישירה כיצד פועל המוח, ולפתור שאלות שנותרו זמן רב ללא מענה, והנוגעות לתפקידי התפישה וההכרה הגבוהה.
פרופ' עמירם גרינוולד, ראש המרכז

המרכז לחקר ביולוגיה של מערכות בתאי אדם על-שם קאהן מעודד מחקר מתקדם בביולוגיה של מערכות, שעיקרו  גישה הוליסטית לחקר הביולוגיה הסוקרת  בו זמנית את כל התהליכים הביולוגיים הפועלים כמערכת משולבת. בחסות המרכז שוקדים מדענים על הפעלת גישת מערכות לגילוי העקרונות הבסיסיים השולטים בעולם הביולוגי.
פרופ' איתן דומאני, ראש המרכז

מכון לחקר תאי גזע על-שם הלן ומרטין קימל תומך במגוון רחב של פעילויות תאי גזע בקמפוס, ושל האגודה הישראלית לתאי גזע. אחת ממטרותיו העיקריות היא קידום מחקרים רב-תחומיים בין  חוקרים מן המחלקות השונות במכון ויצמן וסיוע לקידום התחום המרתק של ביולוגיית תאי הגזע . מכון קימל לחקר תאי הגזע מקדם גם חילופי מידע מדעי באמצעות ארגון מפגשים מדעיים מקומיים ובינלאומיים. בנוסף, המכון מממן מרכיבים חשובים בתשתיות המחקר האמורות לסייע בעבודתם של חוקרי תאי הגזע.
פרופ' דב ציפורי, ראש המרכז

מרכז לחקר מחלות סרטן בילדים והפרעות חיסוניות על-שם קירק מקדם את המחקר הביו-רפואי בראש ובראשונה בתחום מחלות ילדות, ובכלל זה סוגי סרטן כגון הגידולים על-שם וילמס, לוקמיה, ומיאלומה נפוצה; וכן הפרעות חיסוניות כגון אסתמה, אלרגיות וכשלים חיסוניים נרכשים. רוב ההתקדמות בתחום זה מונעת על ידי הבנה חדשה של הפעילות הגנטית והתאית במערכת החיסונית.
פרופ' מיכל נאמן, ראש המרכז

מרכז לביולוגיה של ההזדקנות על-שם בל ס. ואירוינג א. מלר מקדם מחקר שיתרום להבנת התהליכים הביולוגיים המהותיים הקשורים עם תופעת ההזדקנות והמחלות הכרוכות בה. 
תחומי המחקר הנתמכים מתרכזים באינטראקציה תאית במערכת החיסונית ונושאים הקשורים במבנה ותפקוד מחזור הדם, הרקמות המחברות, הגנטיקה המולקולרית של ההתמיינות, והבסיס המולקולרי של התמרה  ממאירה.
פרופ' יאיר רייזנר, ראש המרכז

מרכז לביולוגיה של כלי דם על-שם משפחת וילנר מתמקד בהסדרת תהליכי מחזור הדם כגון אנגיוגנזה (היווצרות כלי הדם), ניאוואסקולריזציה (החזרה של אספקת הדם לגידול מתפתח), ושחזור רקמות. כיוון מחקר נוסף הוא זיהוי מולקולות איתות, והרצפטורים, תאי המטרה והמנגנונים הפעילים בהעברת אותות אלה. היות וחוסר הויסות של תהליכי מחזור הדם גורם למחלות רבות, כגון אי ספיקת לב, שבץ, וסרטן, הרי שממצאי המחקרים המתקבלים מן המרכז משמשים לפיתוח כלי אבחנה מוקדמת למחלות אלו, ולתכנון תרופות חדשות להתערבות תרופתית.
פרופ' נאוה דקל, ראש המרכז

המכון למנהיגות על-שם משפחת וילנר הוקם על מנת לספק תמיכה משמעותית למחקר, לחינוך מדעי ולפיתוח מנהיגות. המכון מתעל את מימונו לתחומים קריטיים במכון ויצמן: גיוס והכשרת מדענים צעירים, מיזמים חדשים במחקר וטכנולוגיה, רכישת מערכות מיכשור מדעי וחינוך מדעי.

סגן נשיא מכון ויצמן למדע, פרופ' חיים גרטי, יושב בראש המועצה המייעצת של המכון למנהיגות על-שם משפחת וילנר.

המרכז למחקר בריאות האשה מנסה לגשר על הפער בין מחקר בסיסי ומחקרים רפואיים בנושאים הקשורים לבריאות האישה ולהבדלי מגדר. המרכז תומך בראש ובראשונה בפרוייקטים מחקריים הנוגעים לתפקוד השחלות ואי פוריות, לגידולים ממאירים המיוחדים לנשים ובמחקר בסיסי בתחום מבנה העצם והתפתחותה, בהיבטים  הקשורים ישירות למחלת  האוסטאופורוזיס ולפיתוח ריפוי אפשרי.
פרופ' ורדה רוטר, ראש המרכז

מרכז יד אברהם לחקר גישות איבחון וטיפול  במחלות סרטניות מקדם את חקר הסרטן, ובייחוד את פיתוחן של דרכים חדשות לאיבחוןמוקדם של תהליכים ממאירים ולגישות ריפוי חדשניות. המרכז תומך בפרוייקים מחקריים המתמקדים בבסיס הגנטי לסרטן, כולל הגדרת אונקוגנים וגנים מדכאי גידולים, כמו גם מחקרים על הקשרים בין סרטן ובין מות תאים מתוכנת.  שימת לב מיוחדת מוקדשת למחקרים הנוגעים ליחסים שבין תהליכים ממאירים הנחקרים in vitro ובחיות מעבדה, ובין אלו הקשורים בסרטן האנושי.
פרופ' ורדה רוטר, ראש המרכז